2018 Fiscal Year Research-status Report
無機ナノシートの光磁気物性の開拓とスピントロニクスへの展開
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18K04710
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
山本 崇史 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (40532908)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | ナノシート / 磁気物性 / 光化学反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、次世代を担うスピントロニクスデバイスの開発を目指し、磁性を示す層状化合物、ならびにそれらを単層剥離させた磁性ナノシートを創出した。具体的には、磁性イオンを含む層状複水酸化物を合成し、異なる2種類のアプローチによって層状複水酸化物固有の磁気物性を探索した。第1は、インターカレーションを利用することによって、異種磁性体が交互に連結した試料を合成し、磁気物性を詳細に検討した。第2は、磁性を示す層状複水酸化物ナノシートを合成し、光応答性を示す半導体ナノシートによって挟み込むことによって、磁気物性の光変調を試みた。
[I] 磁性ヘテロ2次元構造の磁気物性
アニオン交換反応と逐次的な錯形成反応によって、CoおよびAlイオンを含む層状複水酸化物 (Co-Al LDH) の層間に、Ni-Feシアノ架橋金属錯体 (Ni-Fe PBA) をインターカレーションさせた。赤外分光測定とX線構造評価から、各磁性体が交互に連結した磁性ヘテロ2次元構造の形成を確認した。磁気物性の評価では、各磁性体の両方が自発磁化を示す温度領域において、Ni-Fe PBAの保磁力が温度降下に伴って減少した。詳細な磁気物性の評価から、この現象はCo-Al LDHとNi-Fe PBA間に新たに負の交換相互作用が働いているためであることを見出した。
[II] 層状複水酸化物ナノシートの磁気物性の光変調
CoおよびNiイオンを含む層状複水酸化物 (Co-Ni LDH) ナノシートを合成し、光応答性を示すチタン酸 (TO) ナノシートによって挟み込んだ試料を作製した。X線構造評価から、この試料は長周期的な構造を有していることを確認した。また、磁気物性に関しては、紫外光照射を行うことによって垂直磁気異方性が増強できることを明らかとした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題では、次世代エレクトロニクスを支える候補物質として有力視されている無機ナノシートに関し、スピントロニクス分野への応用を見据えた無機ナノシートの光磁気物性を開拓することを目的としている。特に、磁性イオンを含む層状化合物母物質とすることによって、層間への機能性分子のインターカレーションや単層剥離によって得られるナノシートを積層させた構造体における光磁気物性を発現させることを最終目標としている。
2018年度は、層状化合物として磁性イオンを含む層状複水酸化物 (LDH) に着目して研究を遂行した。CoおよびAlイオンを含むLDHに関しては、層間に分子磁性体であるNi-Feプルシアンブルー類似体をインターカレーションした磁性ヘテロ構造において、各磁性体の間に負の交換相互作用が働くことを見出した。
また、当初の研究計画である、CoおよびNiイオンを含むLDHナノシートが示す垂直磁気異方性の光変調に関しては、半導体性チタン酸ナノシートとの交互積層体を作製することによって、チタン酸ナノシートからの光電子注入によって、垂直磁気異方性が光増強されることを見出した。現在までのところ、この現象は各種分光測定によって支持される結果が得られているが、2019年度の研究では電気化学的な酸化還元反応を利用して電子状態を操作可能であるかどうかを明らかにしていく。
以上のように、磁性イオンを含むLDHに関し、当初の研究計画をある程度は達成できていることに加え、新しい磁性ヘテロ構造の作製と磁気物性評価を通じ、無機ナノシートの光磁気物性の開拓において異なるシステムからのアプローチを提示できたことから、進捗状況はおおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2019年度は以下に挙げる項目に関して重点的に研究を遂行する。2018年度の研究において、CoおよびNiイオンを含むLDHナノシートと半導体性チタン酸ナノシートとの交互積層体において、チタン酸ナノシートからの光電子注入によって、垂直磁気異方性が光増強されることを見出した
この現象に関する詳細なメカニズムを検討していく際に、Co-Ni LDHナノシートへの光電子注入、つまり還元反応が進行しているかどうかを確認するために電気化学的手法を用いることとする。特に、電気化学的に還元させた試料における磁化測定、さらに再酸化させた試料における磁化測定を通じて、還元されるイオン種がCoであるか、もしくはNiであるかを同定することに加えて、試料全体のどれくらいの割合の磁性イオンが還元されるかを定量的に議論することを試みる。
次に、母物質となる磁性無機ナノシートに関し、LDH以外の層状化合物として、遷移金属リントリカルコゲナイド (MPS3) の合成とナノシート化に取り組む。第1の課題として、良質なMPS3層状結晶の合成方法を確立することを目指す。この際の重点的な検討項目としては、(1) 原料粉末の混合方法、(2) 焼成過程のパラメーター、(3) 反応時間、を想定している。これら3点を系統的に探索することによって、ナノシート化に資する良質なMPS3層状結晶を再現性よく合成することを目指す。また、ナノシート化に関しては、結晶サイズが維持されるような条件、例えば、(1) 反応時間、(2) 反応温度、(3) 反応媒体、などを系統的に探索し、光磁気物性の探索に適したナノシート試料の合成を目指す。
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| Causes of Carryover |
2018年度は当初の計画で計上していた支払い請求額を下回る支出となった。これは、当初の計画で設備備品費として計上していた電気化学測定システムの購入を見合わせたためである。なお、本研究課題を遂行する上で電気化学測定システムは必須であるが、これは重複制限のない別予算で用意できることが決まっている。
また、2018年度は本研究課題を遂行する上でやはり必須となる設備備品であるフーリエ変換赤外分光光度計を購入したため、当初の計画で計上していた設備備品費との差額分が、ほぼ次年度使用額に相当することとなった。
以上が、当初の計上額よりも支出額が減り、次年度使用額が生じた理由である。
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